Väg för tryck-temperatur-tid

En schematisk PTt-bana medurs. Metamorfa mineraler förändras med det förändrade PT-tillståndet med tiden utan att nå fullständig fasjämvikt , vilket gör PTt-vägspårning möjlig. Från 1910 Ma ( dvs. 1910 miljoner år sedan) till 1840 Ma upplevde bergarten en ökning av PT-förhållanden och bildade mineralgranat , som tillskrivs begravning och uppvärmning. Därefter värmdes berget kontinuerligt upp till topptemperaturen och bildade mineral cordierit . Under tiden gick det igenom en stor minskning av trycket runt 1840 Ma på grund av en upphöjning. Slutligen var det kontinuerliga fallet i tryck och temperatur under 1800 Ma ett resultat av ytterligare erosion och uppgrävning . Topptrycket visar sig uppnås före topptemperaturen, på grund av bergets relativt dåliga värmeledningsförmåga vid ökande PT-tillstånd, medan berget omedelbart upplevde tryckförändringarna. Granat och kordierit når inte fullständig jämvikt när de upptäcks på ytan, vilket lämnar ett avtryck av tidigare PT-miljöer.

Tryck -temperatur-tidsbanan (PTt-banan) är en registrering av tryck- och temperaturförhållandena (PT) som en bergart upplevde i en metamorf cykel från nedgrävning och uppvärmning till lyftning och uppgrävning till ytan. Metamorfism är en dynamisk process som involverar förändringar i mineraler och texturer hos de redan existerande bergarterna ( protoliterna ) under olika PT-förhållanden i fast tillstånd . Förändringarna i tryck och temperaturer med tiden som de metamorfa bergarterna upplever undersöks ofta med petrologiska metoder, radiometriska dateringstekniker och termodynamisk modellering .

Metamorfa mineraler är instabila vid ändrade PT-förhållanden. De ursprungliga mineralerna förstörs vanligtvis under fast tillståndsmetamorfos och reagerar för att växa till nya mineraler som är relativt stabila. Vatten är vanligtvis involverat i reaktionen , antingen från omgivningen eller genererat av själva reaktionen. Vanligtvis kommer en stor mängd vätskor (t.ex. vattenånga , gas etc.) ut under ökande PT-förhållanden, t.ex. begravning. När berget senare lyfts upp, på grund av att vätskor läcker ut i ett tidigare skede, finns det inte tillräckligt med vätskor för att tillåta alla nya mineraler att reagera tillbaka till de ursprungliga mineralerna. Därför är mineralerna inte helt i jämvikt när de upptäcks på ytan. Därför registrerar mineralsammansättningarna i metamorfa bergarter implicit de tidigare PT-förhållandena som berget har upplevt, och att undersöka dessa mineral kan ge information om den tidigare metamorfa och tektoniska historien.

PTt-banorna klassificeras generellt i två typer: medurs PTt-banor , som är relaterade till kollisionsursprunget , och involverar höga tryck följt av höga temperaturer; och moturs PTt-banor , som vanligtvis är av intrångsursprung , och involverar höga temperaturer före höga tryck. (Namnen "medurs" och "moturs" hänvisar till den skenbara riktningen för banorna i det kartesiska utrymmet , där x-axeln är temperatur och y-axeln är tryck.)

Etapper i PTt-banor

PTt-vägar återspeglar ofta olika stadier av den metamorfa cykeln. En metamorf cykel innebär den serie av processer som en bergart upplevde från nedgrävning, uppvärmning till upphöjning och erosion . PT-förhållandena som en sten upplever under dessa processer kan klassificeras i tre huvudsteg beroende på temperaturförändringar:

1. Prograd (pre-peak) metamorfism : processen när berget begravs och värms upp i miljöer som bassänger eller subduktionszoner . Devolatiliseringsreaktioner (utsläpp av gaser t.ex. _CO 2 _, H ₂ O) är vanliga.
2. Toppmetamorfism : den maximala temperaturen som uppnåtts genom hela metamorfas historia.
3. Retrograd (post-peak) metamorfism : metamorfosen inträffade under höjningen och avkylningen av berget.

Men retrograd metamorfism kan inte alltid observeras i metamorfa bergarter. Detta beror på förlusten av vätskor (t.ex. CO ₂ , H ₂ O) från prograd metamorfism, varefter det inte finns tillräckligt med vätska för att tillåta omvänd reaktion av mineralsammansättningarna. En annan anledning är att bergarterna är av olämplig sammansättning för att generera alla mineraler som registrerar deras fullständiga metamorfa händelser. I genomsnitt visar endast ett av tjugo metamorfa bergarter alla tre stadier av metamorfism.

PTt vägbanor

PTt-banor kan generellt delas in i två typer: medurs PTt-banor och moturs PTt-banor .

Medurs PTt-banor

En typisk medurs PTt-bana (idealfall).

En vanlig medurs PTt-bana observerad i verkligheten.

Metamorfa bergarter med medurs PTt-banor är vanligtvis associerade med en nästan isotermisk dekompressions-PT- bana .

Medurs PTt-bana består normalt av tre delar:

1. Initial uppvärmning och komprimering tills man når en topp, en högtryck-låg temperaturtopp observeras ofta. (Prograde metamorfism till topp)
2. Nästan isotermisk dekompression efter toppen (steg 1 retrograd metamorfism)
3. Ytterligare dekompression och kylning i långsam takt (steg 2 retrograd metamorfism)

Man kan förvänta sig att berget når sin toppmetamorfos vid topptemperaturen och trycket vid samma tidpunkt, och nästan isotermisk dekompressions-PTt-bana observeras vid dess steg 1-metamorfos. Men i verkligheten upplever stenarna vanligtvis topptrycket före topptemperaturen. Detta beror på bergarternas relativa okänslighet för termiska händelser, dvs. dålig ledningsförmåga hos berg vid yttre värmeförändringar, medan bergarterna omedelbart upplever tryckförändringar.

Exempel på metamorfa bergarter som består av medurs PTt-banor finns på:

• Trans-North China orogen, North China Craton
• Bohemian Massif , Österrike
• Södra Bretagne , Frankrike
• Northern Gallatin Range , sydvästra Montana , USA
• Södra Prince Charles Mountains , Östra Antarktis

Moturs PTt-banor

En vanlig moturs PTt-bana.

Metamorfa bergarter med moturs PTt-banor är vanligtvis associerade med en nästan isobarisk kylande PT-bana.

Moturs PTt-bana består normalt av två delar:

1. Initial uppvärmning och komprimering tills en topp nås, en topp med lågt tryck och hög temperatur observeras ofta. (Prograde metamorfism till topp)
2. Nära-isobarisk kylning efter toppen (retrograd metamorfism)

Det är vanligt att observera att topptemperaturen uppnås före topptrycket i moturs PTt-banor, eftersom stenarna vanligtvis upplevde värmen från värmekällan innan de trycksattes i stor utsträckning.

Exempel på metamorfa bergarter som består av moturs PTt-banor finns på:

• Arunta Block, Centrala Australien
• Anderna , Sydamerika
• Yinshan Block, North China Craton
• Coastal Cordillera , södra centrala Chile

Rekonstruktion av PTt-banor

Rekonstruktionen av PTt-vägar inkluderar två typer av tillvägagångssätt:

1. Bakåtriktad ansats : metoden att omvänt härleda de metamorfa händelserna från bergprover via traditionella petrologiska undersökningsmetoder (t.ex. optisk mikroskopi , geotermobarometri etc.).
2. Framåtriktad tillvägagångssätt: använder termiska modelleringstekniker för att arbeta med den geologiska evolutionära modellen av bergarter, och används vanligtvis för att validera resultat som erhålls i den bakåtriktade metoden.

Bakåtriktad ansats (petrologisk PTt-rekonstruktion)

Se även: Petrografi

Petrologisk rekonstruktion är ett bakåtriktat tillvägagångssätt som använder mineralsammansättningar av stenprover för att härleda möjliga PT-förhållanden. Vanliga tekniker inkluderar optisk mikroskopi , geotermobarometri , pseudosektioner och geokronologi .

Optisk mikroskopi

Huvudartiklar: Optisk mineralogi och petrografiskt mikroskop

Vid kvalitativ rekonstruktion av PT-förhållanden undersöker geologer tunna sektioner under polariserat ljusmikroskop för att bestämma sekvensen för bildningen av mineralerna. På grund av ofullständig ersättning av de tidigare bildade mineralen under förändrade PT-förhållanden kan mineraler som bildats i olika PT-miljöer hittas i samma bergart. Eftersom olika mineral har olika optiska egenskaper och texturer, möjliggörs bestämning av mineralsammansättningarna i metamorfa bergarter.

Vanliga texturer i olika stadier av metamorfism:

• Prograd (pre-peak) metamorfism
  • Mineralinneslutningar ( poikiloblastisk textur): ett mineral som bildas vid ett lägre PT-tillstånd ingår i ett annat mineral som bildas vid ett högre PT-tillstånd. Till exempel, vid tunnsnittsundersökning ingår biotitkristall i ett granatkorn , så biotit anses ha bildats vid en tidigare tidpunkt.
• Toppmetamorfism
  • Porphyroblastic - matrix textur: stora euedriska kristaller inuti en fin grundmassa . Både de euhedriska kristallerna och matrismineralerna i porfyroblasterna bildas vid toppmetamorfos.
• Retrograd (post-peak) metamorfism
  • Corona (reaktionskant): mineraler som bildas vid lägre PT-förhållanden som omger det högre mineralet
  • Symplektit (fingerliknande textur): sammanväxt mellan retrograda mineraler (bildade vid lägre PT-förhållanden) och mineraler som bildas vid toppstadiet (högre PT-förhållanden)
  • Mineral tvärskärning: retrograda mineraler genomskurna mineraler som bildas i toppstadiet

Texturer i olika stadier av metamorfism observerade under ett mikroskop
Stadier av metamorfism	Typisk konsistens	Exempel på textur
Prograde (Pre-peak)	mineralinneslutningar	Mikroklin (tvärskuggad tvilling ) ingår i magnetit (svart, ogenomskinlig ) i plagioklas ( polysyntetisk tvilling ). Därför är bildningssekvensen: mikroklin → magnetit → plagioklas .
Topp	porfyroblaster	En granat - glimmerskiffer med porfyroblastisk granat (svart ) i finkornig glimmermatris
Retrograd (Post-peak)	reaktionsfälgar	En reaktionskant (ljusgrått område) bildas runt värdmineralet (mörkgrå) när temperaturen och trycket minskar.
	symptom	Sammanväxt av fayalit - pyroxen symplektit (grå) mot apatit (vit) uppvisar en symplektitisk textur till höger.
	tvärgående	Ljusa serpentinvener skär mörkfärgade maffiska mineraler, så serpentinvener bör bildas senare än de mörka mineralerna .

Inte alla bergprover uppvisar alla de PT-förhållanden som de upplevde under den geologiska evolutionen. Detta tillskrivs komplexiteten i de geologiska processerna, som proverna kan ha genomgått komplicerade termodynamiska historia, eller av olämpliga mineralsammansättningar för att producera mineraler som registrerar deras metamorfa händelser.

Geotermobarometri

Huvudartikel: Geotermobarometri

En illustration av geotermobarometri . En linje för temperaturjämvikt ( orange) och en linje för tryckjämvikt (blå) för utvalda mineralsammansättningar som finns i provet är avsatta på PT-diagrammet. Korsningen representerar det troliga PT-tillståndet som berget upplevt i dess metamorfa historia.

Geotermobarometri är en kvantitativ mätning av PT-förhållandena, som används i stor utsträckning för att analysera PT-förhållandena för metamorfa och intrusiva magmatiska bergarter .

Den underliggande principen för geotermobarometri är att använda jämviktskonstanter för mineralsammansättningar i en bergart för att härleda de metamorfa PT-förhållandena. En elektronmikrosond används vanligtvis inom geotermobarometri för att mäta fördelningen av komponenter i mineralen och ge exakt bestämning av den kemiska jämvikten inom provet.

Geotermobarometri är en kombination av:

• Geotermometri : mätning av temperaturförändringar med hjälp av jämvikt mellan mineraler som är okänsliga för tryckvariationer, och
• Geobarometri: bestämning av tryckförändringar med hjälp av jämvikt hos mineraler som är litet beroende av temperaturförändringar.

Geotermometrar representeras vanligtvis av utbytesreaktioner, som är känsliga för temperatur men med liten effekt under växlande tryck, såsom utbyte av Fe ²⁺ och Mg ²⁺ mellan granat - biotitreaktion :

${\mathsf {\underbrace {{\ce {Fe3Al2Si3O12}}} _{\text{Fe-Al granat}}+\underbrace {{\ce {KMg3AlSi3O10 (OH)2}}} _{\text{Mg-rik biotit}}\ {\ce {<=>}}\ \underbrace {{\ce {Mg3Al2Si3O12}}} _{\text{Mg-Al granat} }+\underbrace {{\ce {KFe3AlSi3O10(OH)2}}} _{\text{Fe-rik biotit}}}}$

Geobarometrar förekommer vanligtvis som nettoöverföringsreaktioner, som är känsliga för tryck men har liten förändring med temperaturen, såsom granat - plagioklas - muskovit - biotitreaktion som involverar en betydande volymreduktion vid högt tryck:

${\mathsf {\underbrace {{\ce {Fe3Al2Si3O12}}} _{\text{Fe-Al granat}}+\underbrace {{ \ce {Ca3Al2Si3O12}}} _{\text{Ca-Al granat}}+\underbrace {{\ce {KAl3Si3O10(OH)2}}} _{\text{muskovit}}\ {\ce {<=> }}\ \underbrace {{\ce {3CaAl2Si2O8}}} _{\text{plagioklas}}+\underbrace {{\ce {KFe3AlSi3O10(OH)2}}} _{\text{biotit}}}}$

Eftersom mineralsammansättningar vid jämvikt är beroende av tryck och temperaturer, genom att mäta sammansättningen av de samexisterande mineralen, tillsammans med användning av lämpliga aktivitetsmodeller, kan PT-förhållandena som berget upplever bestämmas.

Efter att en jämviktskonstant har hittats, skulle en linje plottas på PT-diagrammet. Eftersom olika jämviktskonstanter för mineralsammansättningar skulle förekomma som linjer med olika lutningar i PT-diagrammet, kan därför, genom att hitta skärningspunkten för minst två linjer i PT-diagrammet, PT-tillståndet för provet erhållas.

Trots användbarheten av geotermobarometri bör särskild uppmärksamhet ägnas åt om mineralsammansättningarna representerar en jämvikt, eventuell förekomst av retrograd jämvikt i berget och lämpligheten av kalibrering av resultaten.

Granattillväxtzonindelning

Granatzoner växer från kärna till kant. Varje koncentrisk granatzon uppvisar olika kemiska sammansättningar, vilket indikerar olika PT-förhållanden.

Att undersöka sammansättningarna i varje granatzon kan ge information om de olika PT-punkterna såväl som trenden för PT-vägen.

Granattillväxtzonindelning är en speciell typ av geotermobarometri som fokuserar på sammansättningsvariationerna i granat.

Zoning är en textur i mineraler i fast lösning där mineralerna bildar koncentriska ringar från kärna till kant vid ändrade PT-förhållanden. I en föränderlig miljö skulle mineraler vara instabila och förändra sig själva för att minska sin Gibbs fria energi för att uppnå stabila tillstånd. Men ibland har mineralkärnan inte nått jämvikt vid miljöförändringen och zonindelning inträffar. Zonindelning finns också i andra mineraler som plagioklas och fluorit .

I praktiken används granat vanligen i studien av metamorfa bergarter på grund av dess eldfasta natur. I tidigare studier har granat visat sig vara ett mineral som är stabilt under ett brett spektrum av PT-förhållanden, samtidigt som kemiskt uppvisar svar (t.ex. jonbyte ) på PT-variationerna under hela dess metamorfa historia utan att nå fullständig jämvikt. Den icke-utjämnade granaten som bildats tidigare är ofta zonerad av yngre granat. Därför finns många tidigare PT-egenskaper bevarade i de zonerade områdena. Elektronmikrosonder används för att mäta sammansättningen av granatzonerna.

Emellertid inträffar ibland smältning inom granat eller diffusionshastigheten är för snabb vid hög temperatur, vissa granatzoner slås samman och kan inte ge tillräcklig information om bergarternas fullständiga metamorfa historia.

Gibbs metod

Gibbs-metoden formalism är en metod som används för att analysera tryck och temperaturer hos zonindelade mineraler och texturförändringar i metamorfa bergarter genom att tillämpa differentialtermodynamiska ekvationer baserade på Duhems sats . Den försöker simulera granattillväxtzonen numeriskt genom att lösa en uppsättning differentialekvationer som involverar variablerna tryck (P), temperatur (T), kemisk potential (μ), mineralsammansättning (X). Modal förekomst av mineralfaser (M) lades senare till som en omfattande variabel i Gibbs-metoden med massbalans lagt till som en begränsning. Syftet med denna analys är att söka efter det absoluta PT-tillståndet under olika zontillväxt och matchar den observerade sammansättningen av zoner i provet. Datorprogrammet GIBBS används vanligtvis för beräkning av ekvationerna.

Pseudosektion

Se även: Fasdiagram och QAPF-diagram

Ett exempel på en pseudosektion. Ovanstående visar områdena för stabila mineralsammansättningar vid olika PT-intervall för en enskild bulk-bergsammansättning (röd prick) av CaO-SiO 2 -Al 2 _O 3 _bergets sammansättning _ternära diagram ( vit triangel).

Pseudosektion är ett jämviktsfasdiagram som visar alla stabila mineralsammansättningar av en bergart vid olika PT-intervall för en enda kemisk sammansättning av en hel bergart (bulk-bergartens sammansättning) . De stabila mineralsammansättningarna är markerade som olika områden i PT-grafen.

Till skillnad från geotermobarometri , som bara fokuserar på enstaka kemiska jämviktsekvationer , använder pseudosektioner flera jämviktsekvationer för att söka efter tidigare PT-förhållanden. Det används ofta i metamorfa bergarter på grund av dess övervägande av flera reaktioner som liknar metamorfa processer av flera mineraler i verkligheten.

(Pseudosektion skiljer sig från petrogenetiskt rutnät. Pseudosektion visar olika mineralfaser för en kemisk sammansättning av en enskild bergart, medan petrogenetiskt rutnät visar en uppsättning reaktioner under olika PT-förhållanden som skulle inträffa för ett fasdiagram.)

Vid konstruktion av pseudosektioner bestäms bulk-bergets sammansättning först med geokemiska tekniker, och infogas sedan i datorprogram för beräkningar baserade på termodynamiska ekvationer för att generera pseudosektionsdiagram.

Det finns två geokemiska metoder för att bestämma bulk-bergets sammansättning:

1. Röntgenfluorescens (XRF) analys, som direkt bestämmer hela bergartens kemiska sammansättning.
2. Punkträknande sammansättning med hjälp av en elektronmikrosond , som innebär viktad beräkning av mineraler i bergarter observerade från tunna sektioner .

Båda metoderna har sina fördelar och begränsningar. XRF-metoden ger en opartisk uppskattning, men kan försumma andelen befintliga mineral i berget. Samtidigt tar punkträkningsmetoden hänsyn till mineralproportioner, men är baserad på mänskligt omdöme och kan vara partisk.

Vanliga datorprogram för att beräkna pseudosektioner:

• TERMOKALC
• GIBBS
• TWQ
• THERIAK-DOMINO
• FÖRBRYLLA

Resultaten från en enda pseudosektion är inte helt tillförlitliga, eftersom berget i verkligheten inte alltid är i jämvikt. Analys kan emellertid göras på fraktioner av PTt-vägen, t.ex. vid gränser för mineralinneslutningar, eller på lokal bulksammansättningsanalys skulle förbättra precisionen och noggrannheten hos PTt-vägen.

Geokronologi

Huvudartiklar: Geokronologi och radiometrisk datering

För att räkna ut åldern på de metamorfa händelserna används geokronologiska tekniker. Den använder idén om radioaktivt sönderfall av långlivade instabila isotoper i mineraler för att söka efter händelsernas ålder .

Monazitisk geokronologi

Huvudartikel: Monazit geokronologi

Monazitkristaller (vita prickar) ingår ofta i en koncentriskt zonerad granat (varje färgad ring representerar en zon). Datering av monazitinneslutningar kan därför tillåta uppskattning av åldern för varje granatzon.

I studiet av metamorf petrologi är uran-torium-bly-datering av monazit ( monazit geokronologi ) en effektiv metod för att fastställa PT-historien. Monazit är ett fosfatmineral som innehåller lätta sällsynta jordartsmetaller (LREE) som förekommer i ett brett spektrum av bergarter. Det innehåller vanligtvis radioaktivt torium (Th) under sin kristallbildning, vilket gör åldersbestämning möjlig.

Monazit har egenskaper som hög förslutningstemperatur (>1000 °C), varierande sammansättning och robusthet under ett stort temperaturområde, vilket hjälper till att registrera geologisk historia i metamorfa bergarter. En elektronmikrosond används vanligtvis för mätning av monazitsammansättning.

Monazitinneslutningar

Monazit förekommer vanligtvis som inneslutningar i porfyroblasterna i metamorfa bergarter.

Till exempel, under tillväxten av granatzoner i metamorfa processer, ingår monazitkorn i granatzonerna. Eftersom granater är ganska stabila vid växlande temperatur, bevaras de medföljande monazitkornen väl och förhindras från återställning av sönderfallssystem och ålder. Därför kan åldern för de metamorfa händelserna i varje zon uppskattas.

Monazittillväxtzonindelning

Bortsett från att förekomma som inkludering i granater, uppvisar monazit också zonmässigt tillväxtmönster vid förändrade PT-förhållanden.

Monazit tenderar att fånga Th när den bildas. När monazitkristallen växer, innehåller de tidigare bildade monaziterna många Th och lämnar en Th-utarmad omgivande miljö. Därför har den äldre bildade monaziten en högre koncentration av Th än yngre monazit. Därför kan datering av zonerade matrismonaziter (dvs. monaziter som inte bildas som inneslutningar i andra mineral) av den metamorfa bergarten få information om såväl ålder som deras bildningssekvens. Dateringsmetoden görs vanligtvis genom att använda en elektronmikrosond för att observera sammansättningszonerna för monazit, sedan analysera U-Th-Pb-åldern för varje zon för att rekonstruera tiden för de relevanta PT-förhållandena. Data erhållna från matrismonaziter jämförs ofta med de som erhålls från monazitinneslutningar för tolkningen av metamorfa historia.

Zirkon geokronologi

Se även: Uran-bly-datering

Zirkon är ett annat lämpligt mineral för att datera metamorfa bergarter. Det förekommer som ett tillbehörsmineral i bergarter och innehåller spårmängder av uran (U).

Eftersom zirkon är resistent mot väderpåverkan och höga temperaturer är det ett användbart mineral för att registrera geologiska processer. På samma sätt som monazit visar zirkon också zonindelade mönster vid olika PT-förhållanden, som varje zon registrerar information om den föränderliga tidigare miljön. U-Pb dejting används ofta i dejting zirkon åldrar. Zirkongeokronologi ger goda uppgifter om åldrar i kylnings- och uppgrävningsprocesser . Det är dock mindre reaktivt än monazit under metamorfa händelser, och presterar bättre vid datering av magmatiska bergarter .

Framåtriktad strategi (termisk modellering)

Ett exempel på användning av termisk modellering i PTt-vägrekonstruktion. Diagrammet ovan visar de beräknade geotermiska gradienterna vid jordskorpans förtjockning vid 0 miljoner år (my) följt av en omedelbar höjning med en hastighet av 1 mm per år. PTt-utvecklingen av en sten som ursprungligen låg 40 km under marken är markerad som röda prickar på diagrammet. Den motsvarande PTt-banan är också härledd (blå prickad linje). Redigerat från Peacock (1989).

Se även: Termisk historikmodellering , ändlig skillnadsmetod och datorsimulering

Till skillnad från att använda traditionella petrologiska undersökningsmetoder (t.ex. optisk mikroskopi , geotermobarometri ) för att omvänt härleda de metamorfa händelserna från bergprover, är termisk modellering en framåtriktad metod som försöker arbeta på den geologiska utvecklingen av bergarter.

Termisk modellering tillämpar numeriska modelleringstekniker baserade på värmeöverföringsekvationer , olika tektoniska modeller och reaktioner av metamorfa mineraler i simuleringen av möjliga metamorfa händelser. Den fungerar på jordskorpans temperaturvariation över tid baserat på värmeöverföringshastighet och diffusion längs den störda geotermiska gradienten (normal värmefördelning i marken).

Termisk modellering ger inte den faktiska geologiska tiden. Det ger dock en korrekt uppskattning av varaktigheten av de termiska händelserna. En fördel med termisk modellering är att den ger en holistisk uppskattning av varaktigheten av olika stadier av metamorfism, vilket på något sätt är svårt att helt extrahera från geokronologiska metoder.

Modellsimuleringen innebär att lösa den kontinuerliga tidsberoende differentialvärmeöverföringsekvationen genom dess ungefärliga diskreta ändliga skillnadsform med hjälp av datorprogram som FORTRAN .

Efter att ekvationerna är satta genereras ett rutnät av noder för beräkning av varje punkt. Gränsförhållanden (normalt temperaturen för de geotermiska gradienterna) matas in i ekvationerna för att beräkna temperaturen vid gränserna. Resultaten jämförs med petrologiska experimentella resultat för validering.

Genom att kombinera petrologiska metoder och termiska modelleringstekniker underlättas förståelsen av metamorfa processer på grund av tektoniska händelser. Petrologiska resultat ger realistiska variabler som kan kopplas in i en modellsimulering, medan numeriska modelleringstekniker ofta sätter begränsningar på möjliga tektoniska miljöer. De två metoderna kompletterar varandras begränsningar och formulerar en omfattande evolutionär historia av de metamorfa och tektoniska händelserna.

Tektoniska implikationer

Kollisionsinställning

Områden med kollisionsrelaterade tektoniska händelser eller under subduktionszoner producerar vanligtvis metamorfa bergarter med medurs PTt-banor med nästan isotermiska dekompressions-PT-banor, och anledningen är följande:

1. Under prograd metamorfos till topp visas initial uppvärmning och komprimering tills en högtrycks-låg temperatur (HPLT) topp kommer fram, vilket tyder på en tidig fas av fortskridande begravning på grund av jordskorpans förtjockning utan att ta emot mycket värme.
2. Vid steg 1 retrograd metamorfos, nästan isotermisk dekompression efter toppen, vilket indikerar upphöjning och uppgrävning av det komprimerade berget i det orogena bältet eller förarket .
3. Vid steg 2 retrograd metamorfism sker ytterligare dekompression och nedkylning i långsam takt, vilket innebär ytterligare erosion efter den tektoniska händelsen.

Dessutom visar nya studier baserade på mekanisk analys att topptryck som registrerats i medurs PT-banor inte nödvändigtvis representerar det maximala gravdjupet, utan kan också representera en förändring i det tektoniska mönstret.

I en kontinental kollisionsmiljö sker jordskorpans förtjockning, vilket medför progressiv metamorfos av underliggande bergarter. Kontinuerlig kompression resulterar i utvecklingen av tryckbälten, vilket leder till ett stort tryckfall som upplevs av ursprungligen underliggande bergarter och resulterar i nästan isotermisk dekompression (steg 1 retrograd metamorfism). Exhumation och erosion främjar ytterligare en minskning av PT-tillstånd (steg 2 retrograd metamorfism).

En typisk medurs PTt-bana som representerar en kollision eller subduktionsinställning. Prograd metamorfism inträffade vid ökande PT-miljö tills toppen nåddes, följt av nästan isotermisk dekompression (steg 1 retrograd metamorfism) och ytterligare uppgrävning och erosion (steg 2 retrograd metamorfism).

Intrång

Intrång som hotspots eller sprickor vid åsar i mitten av havet producerar vanligen metamorfa bergarter som visar moturs PTt-banor med nästan isobariska kylande PT-banor, och anledningen är följande:

1. Under prograd metamorfos till topp visas initial uppvärmning och kompression tills en lågtrycks-hög temperatur (LPHT)-topp uppnås, vilket innebär en händelse av uppvärmning som genereras underifrån och skorpan är något förtjockad. Detta återspeglar verkan av magma inträngande och utbröt som ark inträngande lager såsom trösklar , vilket resulterar i en liten ökning av trycket men en stor ökning av temperaturen.
2. Under retrograd metamorfism ägde nästan isobarisk avkylning efter toppen rum, vilket tyder på att bergarten stannar i samma position medan magman svalnar.
   

   Inträngning av magma resulterar i en stor ökning i temperatur och en lätt ökning av trycket som upplevs av de underliggande bergarterna, vilket ger prograd metamorfos. Nedkylning av utbruten magma orsakar ett nästan isobariskt temperaturfall och leder till retrograd metamorfos av de underliggande stenarna.

   

   En typisk moturs PTt-bana som representerar ett intrångsursprung. En stor temperaturökning under prograd metamorfism på grund av överliggande varm magma, följt av nästan isobarisk kylning i retrograd metamorfos när magman svalnar.

Parade metamorfa bälten

Huvudartikel: Parade metamorfa bälten

Konvergenta plattgränser med subduktionszoner och vulkaniska bågar , där parade metamorfa bälten med kontrasterande metamorfa mineralsammansättningar finns. Medurs PTt-banor finns vanligen i förearc , medan moturs PTt-banor finns i vulkanbågen eller back-arc-bassängen .

Både medurs och moturs metamorfa PTt-banor finns i parade metamorfa bälten vid konvergerande plattgränser . Parade metamorfa bälten visar två kontrasterande mineralsammansättningar:

• Ett bälte för högt tryck och låg temperatur (HPLT).
• Ett bälte med lågt tryck och hög temperatur (LPHT).

Det metamorfa HPLT-bältet är beläget längs subduktionszoner och är vanligtvis associerat med en medurs PTt-bana. HPLT-tillståndet är ett resultat av jordskorpans förtjockning på grund av konvergens under tiden utan att värmas upp av magma .

Det metamorfa LPHT-bältet observeras vid vulkaniska bågar eller back-arc bassänger , vilket tillskrivs magmaintrång härrörande från partiell smältning av den subdukterande plattan , och smältan stiger till skorpan . Detta område är associerat med en moturs PTt-bana.

PTt-vägarna ger djupgående undersökningar och implikationer av mekanismerna i litosfären, och stöder ytterligare den plattektoniska teorin och bildandet av superkontinenter .

Plymtektonik

Huvudartikel: Plymtektonik

Ett diagram över plymens tektonik. En mantelplym stiger från kärnan till ytan.

PTt-banor spelar en viktig roll i utvecklingen av plymtektonik, med stöd av moturs PT-banor.

Plymtektonik anses vara den dominerande processen som bildar den arkeiska skorpan med bevis från studiet av de arkeiska kratoniska blocken i norra Kinas kraton . Moturs PT-banor med nära-isobarisk kylning efter toppen finns normalt i arkeiska bergarter, vilket tyder på ett intrångsursprung.

Avsaknaden av ett parat metamorft bälte samt en parad medurs PT-bana i de arkeiska klipporna eliminerar möjligheten till vulkanbågebildning. Bevisat tillsammans av en stor kupolstruktur , utbredd av komatiiter och bimodal vulkanism , föreslås det att plymtektonik är den ha som huvudämne skorpabildande process i det arkeiska området. Detta har lett till ytterligare forskning om början av plattektonik och numerisk modellering av det tidiga jordens tillstånd.

Strukturell deformation

Under bildandet av en felböj-veckning värms det nedre segmentet (fotväggen) upp medan den övre tryckplåten (hängande väggen) kyls på grund av tryck.

Flera framstötningar såsom duplex skulle resultera i komplex termisk profil av stenarna.

Se även: Deformation (mekanik) och strukturgeologi

PTt-vägar kan användas för att uppskatta möjliga strukturer i fältet eftersom värme skulle överföras i småskaligt advektivt värmeflöde under framstötning och vikning av metamorfa bergarter.

Till exempel, under bildandet av förkastnings-böj-veckning , värms stenarna i det nedre segmentet (fotväggen) upp på grund av kontakt med den hetare övre tryckplåten (hängande vägg), medan den övre tryckplåten svalnar på grund av värmeförlust i en nedåtgående riktning. Således genomgår det nedre segmentet och det övre tryckarket prograd metamorfism respektive retrograd metamorfos.

Icke desto mindre bör särskild uppmärksamhet ägnas åt effekten av multipel framdrivning såsom duplexer, där den initiala nedre plattan i en tidigare tryckkraft skulle bli den övre plattan vid en senare framdrivning. Beroende på bergets läge kan en mängd komplexa PT-banor hittas, vilket kan göra tolkningen av en terräng utmanande.

Historisk utveckling av PTt-vägar

De olika metamorfa facies under olika PT-förhållanden.

Metamorfa ansikten

Huvudartikel: metamorphic facies

Metamorphic facies är ett klassificeringssystem som först introducerades av Pentti Eskola 1920 för att klassificera särskilda metamorfa mineralsammansättningar som är stabila under en rad PT-förhållanden. Före mitten av 1970-talet använde geologer klassificeringen av metamorfa facies för att undersöka metamorfa bergarter och bestämma deras PT-egenskaper. Lite var dock känt om de evolutionära processerna för dessa PT-förhållanden och hur metamorfa bergarter når ytan vid den tiden.

Metamorfisk väg

Förhållandet mellan metamorfism och tektonisk miljö undersöktes inte väl förrän 1974, vilket Oxburgh och Turcotte föreslog att ursprunget till det metamorfa bältet är ett resultat av de termiska effekterna av kontinental kollision . Idén togs upp av England och Richardson och ytterligare forskning gjordes 1977, och PTt-vägkonceptet utvecklades fullt ut av Richardson och Thompson 1984.

Fynd

Den termiska modelleringen från Richardson och Thompson (1984) avslöjar att i varje fall av termisk avslappning efter den tektoniska händelsen finns det en stor del av värmejämvikten innan den påverkas avsevärt av erosion, dvs. hastigheten av metamorfism visar sig vara mycket långsammare än varaktigheten av den termiska händelsen. Detta drar slutsatsen att berget är en dålig värmeledare , där den maximala temperaturen som berget upplever såväl som dess temperaturförändring är okänsliga för erosionshastighet. Därför kan både bevisen för de maximala trycken och temperaturerna som upplevs av de nedgrävda skikten präglas i de underliggande metamorfa bergarterna. Därför kan det begravda djupet såväl som troliga tektoniska inställningar härledas. Tillsammans med dateringstekniker kan geologer till och med bestämma tidsskalan för de tektoniska händelserna i förhållande till de metamorfa händelserna.

Framtida utveckling

Metamorfa PTt-banor har blivit allmänt erkända som ett användbart verktyg för att bestämma den metamorfa historien och tektoniska utvecklingen av en region. Potentiella framtida forskningsriktningar för PTt-vägar kommer sannolikt att utvecklas inom följande områden:

• Förfining av dateringsmetoder och tekniker, t.ex. införlivande av andra element som Fe ³⁺ i termodynamiska beräkningar av metamorfa mineraler med ultrahög temperatur (UHT).
• Förfina geodynamiska modeller, t.ex. undersöka effekten av avbrott av plattor på metamorfa PTt-banor, ytterligare testning på PTt-banor och deras motsvarande geodynamiska modeller
• Rumslig permeabilitet för bergarter vid metamorfos och deformation
• Ursprunget till metamorfa mineralinneslutningar i resistenta metamorfa värdmineraler
• Enad teori om litosfärens evolution och bildning med hjälp av evolutionsmekanismer för metamorfa bergarter och deras åldrar
• PTt förändringar av bergarter under chockmetamorfos med hjälp av kombinationen av elektronmikroskopi , avbildningstekniker och modellsimulering
• Termisk utveckling av meteoriter och deras moderasteroider med hjälp av kombinationen av termisk modellering och diffusionszonindelning av mineraler i kondriter